专利名称：一种手术刀的力采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于外科手术中手术器械上作用力的采集装置技术领域，特别是一种手术刀的力采集装置。
背景技术：
虚拟外科手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用，它可以使医务人员沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内，通过虚拟手术器械体验和学习如何进行各种手术，并培养应付各种突发情况的能力。在虚拟外科手术系统中，为了实现与虚拟人体或虚拟器官的人机交互，必须能够实时地将虚拟手术器械在空间中的位置和姿态信息传送给生成虚拟视景的计算机系统；同时，为了使操作者能在虚拟场景中身临其境地完成各项操作，手术器械上力觉反馈系统也是必不可少的。
虚拟手术中虚拟手术器械碰撞、触压或切割虚拟人体和器官时，为了使操作者有真实的沉浸感，手术刀上的力觉反馈装置会产生一个根据人体组织不同以及切割深度以及切割速度的不同而相应变化的力觉再现。在虚拟手术的研究中，许多应用都必须使用物理模型，以达到真实的视觉和触觉效果，包括实时的手术模拟和医学培训。为了准确地模拟人体组织与器官错综复杂的生物力学特性，这些应用结合了各种不同的力学特性。
力觉建模主要包括虚拟物体的接触响应动力学建模以及力觉的生成算法。如何建立虚拟环境的力觉模型成为虚拟手术技术研究中亟待解决的关键问题。力觉建模方法根据它们依据的形体表示方法的不同可以分为两大类一类是基于边界表示法的建模和基于体素表示法的建模，前者以1997年Thompson提出适用于NURBS模型的力再现方法为代表，后者以1996年R.S.Avila提出的基于体素的力觉再现模型为代表。力觉建模也可根据形变分为弹簧-质点模型和有限元模型。质点弹簧模型和有限单元法是根据物理作用来模拟物体变形的主要造型技术。由于前者相对简单，已被应用到许多领域，例如面部组织模拟、颅面整形手术、内窥镜手术培训等。然而，质点弹簧模型牵涉到繁复的刚度矩阵公式化程序，而且决定动态特性的微分方程系统必须满足一些条件，以避免在求数值解时失稳。另一方面，有限元法被应用到一些较准确的变形模型上，以对软组织的应力-应变关系作更精密的分析，如生物力学、手术模拟等。虽然有限元法较为准确，但涉及大量繁复的计算，不适合实时的交互应用。这些物理模型的计算较为繁复，不适用于要求高更新率、实时可视化以及触觉式反馈的虚拟现实应用。而且这些建模方法是基于理论上的计算，由于人体组织与器官错综复杂的生物力学特性，理论上得出的力与真实手术中的触压和切割力还是有差别。因而，建立一个适合虚拟现实使用的、具有真实效果的物理模型是一项非常重要任务。
至今为止很少有人对实际手术中手术刀的真实受力进行力觉采集以及建模进行研究。还没有一个标准的方法仿真切割过程，也很少有文献对实际手术刀切割软组织过程中刀刃的真实受力以及对软组织变形进行研究、分析和建模。为了能够建立一个基于真实切割数据力觉模型，该模型根据人体组织不同、切割深度以及切割速度的不同，产生的力不同。本文提出一种实时采集在切割过程中手术刀刃对人体组织器官施加的力，以及手术刀姿态、位置和运动信息方法，为基于真实切割的物理建模提供了必要条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种手术刀的力采集装置，该装置能够同时采集外科手术中手术器械碰撞、触压和切割人体或器官时刀刃上的作用力，手术器械的位置、姿态，切割深度，以及切割速度信息。为虚拟手术中虚拟手术器械碰撞、触压和切割虚拟人体或器官时力反馈所需的力觉模型提供了足够的数据信息。
包括计算机和手术刀，安装在刀柄正下方的触力传感器，根据杠杆平衡原理得到外科手术或切割试验中手术刀刀刃上的作用力；三维跟踪设备，检测手术刀的位置及手术刀的姿态；加速度计，与三维跟踪设备检测到的信息结合，获得手术刀运动速度。为虚拟手术中虚拟手术器械碰撞、触压和切割虚拟人体或器官时力反馈所需的力觉模型提供了足够的数据信息。
本发明能够实时采集手术过程中手术刀对人体组织器官施加的力，手术刀的姿态、位置和速度，以及被切割的人体器官的组织和切割深度信息。目的是根据不同器官组织物理模型的不同，建立手术中相应的力觉再现模型当知道手术刀的姿态、位置和速度信息，以及被切割的人体器官的组织和切割深度，该模型会给出相应的和实际手术中大小一致的力，实现虚拟手术过程中的力觉再现。这种方法减少了传统中采用的理论建模方法的大量计算工作，给出真实的手术过程中手术刀刃上的受力，使操作者沉浸在虚拟手术环境里，视觉、触觉等感觉器官同由计算机生成的虚拟环境进行交互，体验手术过程遇到的各种情况，降低了培养医务人员的成本和时间。该发明具有实际的应用价值。
为实现上述目的，外科手术中的力采集装置是在真实手术刀上进行改造，它包括手术刀柄，刀柄外面通过转轴安装的外套，手术刀片，加速度计安装在刀柄外套里用来测量手术刀运动速度；安装在外套侧面的三维跟踪装置检测手术刀的位置和姿态信息；位于刀柄下方的触力传感器检测刀柄施加在其上的压力，根据杠杆平衡原理，可计算出刀刃上的作用力。
本发明具有结构紧凑、体积轻、使用方便，不妨碍操作者的动作的特点，能够方便地使用该系统进行手术或切割试验。
发明技术方案一种外科手术中力采集装置，包括计算机，A/D转换卡和手术刀，还包括触力传感器，用于检测外科手术或切割试验中手术刀上的作用力；
三维跟踪设备，检测手术刀的位置及手术刀的姿态。
加速度计，与三维跟踪设备检测到的信息结合，获得手术刀运动速度；外科手术中力采集装置，由信号传输线(1)，加速度计(2)，触力传感器(3)，外套(4)，刀柄(5)，转轴(6)，刀片(7)和三维跟踪装置组成，加速度计(2)和刀柄(5)装在外套(4)中，加速度计(2)处于最后部，触力传感器(3)处于刀柄(5)的后部，刀柄(5)通过转轴(6)与外套(4)连接，刀片(7)安装在刀柄(5)上，触力传感器(3)处于外套(4)的中下部，刀柄(5)的后下部和触力传感器(3)上的触力球接触，三维跟踪装置安装在手术刀的力采集装置的侧面。
图1是本发明的外部结构照片图。
图2是本发明手术刀力采集装置的内部结构图。
具体实施例方式
如图1所示，该系统侧面安装了高精度的三维跟踪设备，通过磁传感器测出被跟踪手术刀的精确位置以及手术刀的姿态信息。
使用本发明进行手术或切割试验时，如图2所示，手术刀柄5通过转轴6安装在管套4里；手术刀切割物体8受到使它绕转轴6逆时针旋转的力f，刀柄旋转微小的角度刀柄后端就会和触力传感器3的受力球接触，受到一个绕转轴6顺时针旋转的平衡力F。切割时手术刀倾斜的角度不同，刀片和切割平面接触的接触点不同，力臂l相应变化。根据力矩平衡原理FL＝fl，可计算出切割力f。加速度计2测量出手术刀运动的速度信息。
触力传感器选用的是Honerwell公司的FS系列产品FSL05N2C，该传感器触力范围是500g。加速度计采用了基于MEMS技术的霜轴加速度计ADXL202。这两种传感器都具有体积小，精度高，测量范围大等特点。三维跟踪装置采用的是Polhemus公司的Fastrack产品，它使用方便，体积小，是一个六自由度的跟踪器，位置精度能够0.03″(0.08cm)RMS，旋转角度精度达到0.15°RMS。该设计选用加速度计确定手术刀的运动速度信息，三维跟踪装置确定手术刀的姿态和位置信息，触力传感器采集手术刀上的作用力。
权利要求
1.一种外科手术中力采集装置，包括计算机，A/D转换卡和手术刀，其特征在于，还包括触力传感器，用于检测外科手术或切割试验中手术刀上的作用力；三维跟踪设备，检测手术刀的位置及手术刀的姿态。加速度计，与三维跟踪设备检测到的信息结合，获得手术刀运动速度；
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的手术刀力采集装置包括手术刀和外套。
3.按权利要求2所述的装置，其特征在于，手术刀和外套用一个旋转轴安装在一起。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外套里安装了加速度计。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三维跟踪装置安装在手术刀外套上。
6.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的触力传感器安装在手术刀柄的正下方。
7.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的作用力、位置、姿态、加速度信号要传递到计算机。
8.一种外科手术刀的力采集装置，由信号传输线(1)，加速度计(2)，触力传感器(3)，外套(4)，刀柄(5)，转轴(6)，刀片(7)和三维跟踪装置组成，其特征在于，加速度计(2)和刀柄(5)装在外套(4)中，加速度计(2)处于最后部，刀柄(5)通过转轴(6)与外套(4)连接，刀片(7)安装在刀柄(5)上，触力传感器(3)处于外套(4)的中下部，刀柄(5)的后下部和触力传感器(3)上的触力球接触，三维跟踪装置安装在手术刀的力采集装置的侧面。
9.根据权利要求8的手术刀的力采集装置，其特征在于，触力传感器(3)安装在刀柄(5)的正下方。
10.根据权利要求8的手术刀的力采集装置，其特征在于，加速度计(2)采用ADXL202。
11.根据权利要求8的手术刀的力采集装置，其特征在于，触力传感器(3)选用FSL05N2C。
12.根据权利要求8的手术刀的力采集装置，其特征在于，三维跟踪装置采用Fastrack。
全文摘要
本发明涉及一种外科手术中力采集装置，包括计算机和手术刀，信号传输线(1)，加速度计(2)，触力传感器(3)，外套(4)，刀柄(5)，转轴(6)，刀片(7)和三维跟踪装置组成，加速度计(2)和刀柄(5)装在外套(4)中，加速度计(2)处于最后部，刀柄(5)通过转轴(6)与外套(4)连接，刀片(7)安装在刀柄(5)上，触力传感器(3)处于外套(4)的中下部，刀柄(5)的下部和触力传感器(3)上的触力球接触，三维跟踪装置安装在手术刀的力采集装置侧面。结构紧凑、使用方便，实时采集到刀刃上的受力、手术刀的位置和姿态、以及运动速度数据。为虚拟手术中的物理模型建模方法提供了必要条件。该发明具有实际的应用价值。
文档编号A61B17/32GK1677064SQ20041003148
公开日2005年10月5日 申请日期2004年3月30日 优先权日2004年3月30日
发明者原魁, 臧爱云, 严志刚, 付玉锦 申请人:中国科学院自动化研究所